кілограм

Кілограм (російське позначення: кг; міжнародне: kg) - одиниця виміру маси , Одна з семи основних одиниць Міжнародної системи одиниць (СІ) . Крім того, є одиницею маси і відноситься до числа основних одиниць в системах МКС , МКСА , МКСК , МКСГ , МКсл , МКГСС [1] . Кілограм є єдиною з основних одиниць системи СІ, яка використовується з приставкою ( «Кіло», позначення «до»).

Діюче до травня 2019 року ухвала кілограма було прийнято III Генеральною конференцією з мір та ваг (ГКМВ) в 1901 році і формулювалося так [2] [3] :

До 20 травня 2019 року кілограм залишався останньою одиницею СІ, визначеної на основі виготовленого людиною об'єкта. Однак XXVI Генеральна конференція з мір та ваг (13-16 листопада 2018 роки) схвалила [4] нове визначення кілограма До 20 травня 2019 року кілограм залишався останньою одиницею СІ, визначеної на основі виготовленого людиною об'єкта , Засноване на фіксації чисельного значення постійної Планка . Рішення вступило в чинності 20 травня 2019 року. При цьому з практичної точки зору величина кілограма не змінилася, але існуючий «прототип» (еталон) більш не визначає кілограм, а є дуже точною гирькою з потенційно вимірної похибкою.

Міжнародний прототип ( еталон ) Кілограма зберігається в Міжнародному бюро мір і ваг (Розташоване в Севрі поблизу Парижа ) І являє собою циліндр діаметром і висотою 39,17 мм з платино-іридієвого сплаву (90% платини, 10% іридію).

Сучасний міжнародний еталон кілограма був випущений Генеральною конференцією з мір та ваг (ГКМВ) в 1889 році на основі метричної конвенції (1875) і переданий на зберігання Міжнародному бюро мір і ваг (МБМВ), що діє від імені ГКМВ. Міжнародний еталон кілограма практично не піддається якомусь переміщенню або використання. Його копії зберігаються в національних метрологічних установах по всьому світу. У 1889, 1948, 1989 і 2014 роках проводилися верифікації копій з еталоном з метою забезпечити єдність вимірювань маси щодо еталона [5] . Оскільки були виявлені зміни мас копій еталона, Міжнародний комітет мір і ваг (МКМВ) рекомендував перевизначити кілограм за допомогою фундаментальних фізичних властивостей .

Зв'язок між масою і постійної Планка з теоретичної точки зору визначається двома формулами [6] . Еквівалентність маси і енергії пов'язує енергію E {\ displaystyle E} Зв'язок між масою і постійної Планка з теоретичної точки зору визначається двома формулами [6] і масу m {\ displaystyle m} :

E = m c 2, {\ displaystyle \ E = mc ^ {2},} E = m c 2, {\ displaystyle \ E = mc ^ {2},}

де c {\ displaystyle c} де c {\ displaystyle c} - швидкість світла в вакуумі - швидкість світла в вакуумі. Постійна Планка h {\ displaystyle h} пов'язує квантове і традиційне поняття енергії:

E = h ν, {\ displaystyle E = h \ nu} E = h ν, {\ displaystyle E = h \ nu}

де ν {\ displaystyle \ nu} де ν {\ displaystyle \ nu} - частота - частота .

Ці дві формули, знайдені на початку XX століття, встановлюють теоретичну можливість вимірювання маси через енергію індивідуальних фотонів , Але практичні експерименти, що дозволяють зв'язати масу і постійну Планка, з'явилися лише в кінці XX століття.

ваги Киббла використовувалися з середини 1970-х років для вимірювання величини постійної Планка. співробітники Національного інституту стандартів США П. Мор ( англ. Peter Mohr) і Б. Тейлор ( англ. Barry Taylor) в 1999 році запропонували, навпаки, зафіксувати величину постійної Планка і визначати за допомогою цих ваг масу. Посмертно названі в честь винахідника, Б. Киббла (Англ.), Ваги Киббла - це удосконалення струмових ваг , Вони представляють собою електромеханічний інструмент, де маса обчислюється через електричну потужність :

U 1 I 2 = m g v 1, {\ displaystyle U_ {1} I_ {2} = mgv_ {1},} U 1 I 2 = m g v 1, {\ displaystyle U_ {1} I_ {2} = mgv_ {1},}

де U 1 I 2 {\ displaystyle U_ {1} I_ {2}} де U 1 I 2 {\ displaystyle U_ {1} I_ {2}} - твір, добуток електричного струму I 2 {\ displaystyle I_ {2}} під час балансування маси і напруги U 1 {\ displaystyle U_ {1}} в процесі калібрування, g v 1 {\ displaystyle gv_ {1}} - твір, добуток прискорення вільного падіння g {\ displaystyle g} і швидкості котушки v 1 {\ displaystyle v_ {1}} під час калібрування ваг - твір, добуток електричного струму I 2 {\ displaystyle I_ {2}} під час балансування маси і напруги U 1 {\ displaystyle U_ {1}} в процесі калібрування, g v 1 {\ displaystyle gv_ {1}} - твір, добуток прискорення вільного падіння g {\ displaystyle g} і швидкості котушки v 1 {\ displaystyle v_ {1}} під час калібрування ваг. Якщо g v 1 {\ displaystyle gv_ {1}} незалежно заміряні з високою точністю (практичні особливості експерименту також вимагають високоточної виміру частоти [7] ), Попереднє рівняння по суті визначає кілограм залежно від величини вата (або навпаки). Індекси у U 1 {\ displaystyle U_ {1}} і I 2 {\ displaystyle I_ {2}} введені з тим, щоб показати, що це віртуальна потужність (виміри напруги і струму робляться в різний час), уникаючи ефектів від втрат (які могли б бути викликані, наприклад, наведеними струмами Фуко ) [8] .

Зв'язок між ват і постійної Планка використовує ефект Джозефсона і квантовий ефект Холла [7] [9] :

оскільки I 2 = U 2 R {\ displaystyle I_ {2} = {\ frac {U_ {2}} {R}}} оскільки I 2 = U 2 R {\ displaystyle I_ {2} = {\ frac {U_ {2}} {R}}} , Де R {\ displaystyle R} - електричний опір , U 1 I 2 = U 1 U 2 R {\ displaystyle U_ {1} I_ {2} = {\ frac {U_ {1} U_ {2}} {R}}} ; ефект Джозефсона: U (n) = n f (h 2 e) {\ displaystyle U (n) = nf \ left ({\ frac {h} {2 e}} \ right)} ; квантовий ефект Холла: R (i) = 1 i (he 2) {\ displaystyle R (i) = {\ frac {1} {i}} \ left ({\ frac {h} {e ^ {2}}} \ right)} , , Де R {\ displaystyle R} - електричний опір , U 1 I 2 = U 1 U 2 R {\ displaystyle U_ {1} I_ {2} = {\ frac {U_ {1} U_ {2}} {R}}} ; ефект Джозефсона: U (n) = n f (h 2 e) {\ displaystyle U (n) = nf \ left ({\ frac {h} {2 e}} \ right)} ; квантовий ефект Холла: R (i) = 1 i (he 2) {\ displaystyle R (i) = {\ frac {1} {i}} \ left ({\ frac {h} {e ^ {2}}} \ right)} ,

де n {\ displaystyle n} де n {\ displaystyle n} і i {\ displaystyle i} - цілі числа (перше пов'язано зі сходинкою Шапіро , Друге - фактор заповнення плато квантового ефекту Холла), f {\ displaystyle f} - частота з ефекту Джозефсона, e {\ displaystyle e} - заряд електрона і i {\ displaystyle i} - цілі числа (перше пов'язано зі сходинкою Шапіро , Друге - фактор заповнення плато квантового ефекту Холла), f {\ displaystyle f} - частота з ефекту Джозефсона, e {\ displaystyle e} - заряд електрона . Після підстановки виразів для U {\ displaystyle U} і R {\ displaystyle R} в формулу для потужності та об'єднання всіх цілочисельних коефіцієнтів в одну константу C {\ displaystyle C} , Маса виявляється лінійно пов'язаною з постійною Планка:

m = C f 1 f 2 h g v 1 {\ displaystyle m = Cf_ {1} f_ {2} {\ frac {h} {gv_ {1}}}} m = C f 1 f 2 h g v 1 {\ displaystyle m = Cf_ {1} f_ {2} {\ frac {h} {gv_ {1}}}} .

Оскільки всі інші величини в цьому рівнянні можуть бути визначені незалежно від маси, воно змогло бути прийнято за визначення одиниці маси після фіксації значення 6,62607015 × 10-34 Дж · с для постійної Планка. [10]

Слово «кілограм» походить від французького слова «kilogramme», яке в свою чергу утворилося з грецьких слів «χίλιοι» (хіліоі), що означає «тисяча», і «γράμμα» (грами), що означає «маленький вага» [11] Слово «kilogramme» закріплено у французькій мові в 1795 році [12] . Французьке написання слова перейшло до Великобританії, де вперше воно було використано в 1797 році [13] , В той час як в США слово стало використовуватися в формі «kilogram», пізніше стало популярним і в Великобританії [14] [До 1] Положення про міри та ваги ( англ. Weights and Measures Act ) У Великобританії не забороняє використання обох написаний [15] .

У XIX столітті французьке скорочення «kilo» було запозичене в англійську мову, де стало застосовуватися для позначення як кілограмів [16] , Так і кілометрів [17] .

Ідея використовувати заданий обсяг води для визначення одиниці виміру маси була запропонована англійським філософом Джоном Вілкінсом в його есе 1668 роки як спосіб зв'язати масу і довжину [18] [19] .

7 квітня 1795 року грам був прийнятий у Франції як «абсолютна вага обсягу чистої води, рівного кубу [зі стороною] в соту частину метра, і при температурі танучого льоду» [20] [21] . В цей же час була доручена робота з необхідною точністю визначити масу кубічного дециметра (літра) води [До 2] [20] .

Оскільки торгівля і комерція зазвичай мають справу з предметами, чия маса набагато значніше одного грама, і оскільки стандарт маси, виготовлений з води, був би незручний в обігу і збереження, було наказано відшукати спосіб практичної реалізації такого визначення. У зв'язку з цим був виготовлений тимчасовий еталон маси у вигляді металевого предмета в тисячу разів важче, ніж грам, - 1 кг.

французький хімік Луї Лефевр-Жіно ( англ. Louis Lefèvre-Gineau ) І італійський натураліст Джованні Фабброні ( англ. Giovanni Fabbroni ) Після кількох років досліджень вирішили перевизначити найбільш стійку точку води: температура, при якій вода має найбільшу щільність, яка була визначена в 4 ° C [До 3] [22] . Вони вирішили, що 1 дм води при своєї максимальної щільності еквівалентний 99,9265% маси тимчасового еталона кілограма, виготовленого чотири роки тому [До 4] . Цікаво, що маса 1 м³ дистильованої води при 4 ° C і атмосферному тиску, прийнята за рівно 1000 кілограмів в історичному визначенні 1799 року, згідно з сучасним визначенням теж становить приблизно 1000,0 кілограмів [23] .

Тимчасовий еталон був виготовлений з латуні і поступово покрився б патиною , Що було небажано, оскільки його маса не повинна була змінюватися. У 1799 році під керівництвом Лефевр-Жінко і Фабброні був виготовлений постійний еталон кілограма з пористої платини , Яка хімічно інертна. З цього моменту маса еталона стала основним визначенням кілограма. Зараз цей еталон відомий як kilogramme des Archives (з фр. - «архівний кілограм») [23] .

За XIX століття технології вимірювання маси значно просунулися. У зв'язку з цим, а також напередодні створення в 1875 році Міжнародного бюро мір і ваг , Спеціальна міжнародна комісія запланувала перехід до нового стандарту кілограма. Цей еталон, званий «міжнародний прототип кілограма», був виготовлений з платиново-іридієвого сплаву (міцнішого, ніж чиста платина) у вигляді циліндра висотою і діаметром 39 мм [24] , І з тих пір він зберігається в Міжнародному бюро мір і ваг. В 1889 році було прийнято міжнародне визначення кілограма як маси міжнародного прототипу кілограма [23] ; це визначення діяло до 2019 року.

Було виготовлено також копії міжнародного прототипу кілограма: шість (на даний момент) офіційних копій; кілька робочих еталонів, що використовуються, зокрема, для відстеження зміни мас прототипу і офіційних копій; і національні еталони, калібруються по робочим еталонам [23] . Дві копії міжнародного зразка були передані Росії [24] , Вони зберігаються у ВНДІ метрології ім. Менделєєва .

За час, що минув з виготовлення міжнародного зразка, його кілька разів порівнювали з офіційними копіями. Вимірювання показали зростання маси копій щодо еталона в середньому на 50 мкг за 100 років [25] [26] . Хоча абсолютна зміна маси міжнародного зразка не може бути визначено за допомогою існуючих методів вимірювання, воно виразно повинно мати місце [25] . Для оцінки величини абсолютного зміни маси міжнародного прототипу кілограма доводилося будувати моделі, що враховують результати порівнянь мас самого прототипу, його офіційних копій і робочих еталонів (при цьому, хоча зазвичай беруть участь в порівнянні еталони зазвичай попередньо промивали і чистили, але не завжди), що додатково ускладнювалося відсутністю повного розуміння причин змін мас. Це призвело до розуміння необхідності відходу від визначення кілограма на основі матеріальних предметів [23] .

У 2011 році XXIV Генеральна конференція з мір та ваг прийняла Резолюцію, в якій запропоновано в майбутньої ревізії Міжнародної системи одиниць (СІ) продовжити перевизначення основних одиниць таким чином, щоб вони були засновані не на створених людиною артефактах, а на фундаментальних фізичних постійних або властивості атомів [27] . Зокрема пропонувалося, що «кілограм залишиться одиницею маси, але його величина буде встановлена ​​шляхом фіксації чисельного значення постійної Планка в точності рівним 6,626 06X⋅10-34, коли вона виражається одиницею СІ м2 · кг · с-1, яка дорівнює Дж · с ». У Резолюції наголошується, що відразу після передбачуваного перевизначення кілограма маса його міжнародного прототипу буде дорівнює 1 кг, але це значення придбає похибка і згодом буде визначатися експериментально. Таке визначення кілограма стало можливим завдяки прогресу фізики в XX столітті.

У 2014 році було проведено позачергове порівняння мас міжнародного прототипу кілограма, його офіційних копій і робочих стандартів; на результатах цього порівняння засновані рекомендовані значення фундаментальних постійних CODATA 2014 і 2017 років, на яких, в свою чергу, грунтується нове визначення кілограма.

Розглядалося також альтернативне визначення кілограма, засноване на результатах роботи проекту «Авогадро» ( англ. The Avogadro Project). Команда проекту, створивши сферу з кристала моноізотопному кремнію 28Si масою 1 кг і розрахувавши кількість атомів в ній, передбачає описати кілограм як певну кількість атомів даного ізотопу кремнію [28] . Однак Міжнародне бюро мір і ваг Герасимчука використовувати такий варіант визначення кілограма [27] [29] .

XXVI Генеральна конференція з мір та ваг в листопаді 2018 року схвалила [4] нове визначення кілограма, засноване на фіксації чисельного значення постійної Планка . Рішення вступило в силу в Всесвітній день метрології 20 травня 2019 року.

З історичних причин, назва «кілограм» вже містить десяткову приставку «кіло», тому кратні і частинні одиниці утворюють, приєднуючи стандартні приставки СІ до назви або позначення одиниці виміру «грам» (яка в системі СІ сама є дольной: 1 г = 10-3 кг).

Замість мегаграмма (1000 кг), як правило, використовують одиницю виміру « тонна ».

У визначеннях потужності атомних бомб в тротиловому еквіваленті замість гігаграмма застосовується кілотонн , Замість тераграмма - мегатонна.

Кратні Дольне величина назва позначення величина назва позначення 101 г декаграмм даг dag 10-1 г дециграм ДГ dg 102 г гектограмм рр hg 10-2 г сантиграмм сг cg 103 г кілограм кг kg 10-3 г міліграм мг mg 106 г мегаграмм Мг Mg 10 -6 г мікрограм мкг μg 109 г гігаграмм Гг Gg 10-9 г нанограмм нг ng 1012 р тераграмм Тг Tg 10-12 г пикограмм пг pg 1015 р петаграмм Пг Pg 10-15 г фемтограмм фг fg 1018 р ексаграмм Ег Eg 10-18 г аттограмом аг ag тисячі двадцять одна г зеттаграмм Зг Zg 10-21 г зептограмм зг zg 1024 р іоттаграмм Іг Yg 10-24 г іоктограмм иг yg застосовувати не рекомендується не застосовуються або рідко застосовуються на практиці Коментарі

  1. ↑ Написання kilogram є сучасною формою, використовуваної Міжнародним бюро мір і ваг, Національним інститутом стандартів і технологій (NIST), Національним метрологічним бюро ( англ. National Measurement Office ) Великобританії, Національним науково-дослідним радою Канади , і Національним інститутом вимірювань ( англ. National Measurement Institute ) Австралії.
  2. ↑ Ця ж директива визначила літр як «одиницю виміру обсягу як для рідин, так і для твердих тіл, яка дорівнює обсягу куба [зі стороною] в десяту частину метра». Оригінальний текст: «Litre, la mesure de capacité, tant pour les liquides que pour les matières sèches , dont la contenance sera celle du cube de la dixièrne partie du mètre . »
  3. ↑ Сучасні виміри показують, що температура, при якій вода має найбільшу щільність, становить 3,984 ° C. Однак вчені кінця XVIII століття використовували значення 4 ° C.
  4. ↑ Тимчасовий еталон кілограма був виготовлений відповідно до єдиним неточним вимірюванням щільності води, зробленим раніше Антуаном Лавуазьє і Рене Жюст Гаюї , Яке показало, що один кубічний дециметр дистильованої води при 0 ° C має масу в 18 841 гран згідно французької системі заходів ( англ. Units of measurement in France ), Якій скоро належало зникнути. Більш нове і акуратне вимір, проведене Лефевр-Жіно і Фабброні, показало, що маса кубічного дециметра води при температурі 4 ° C становить 18 827,15 гран

джерела

  1. ↑ Деньгуб В. М., Смирнов В. Г. Одиниці величин. Словник-довідник. - М.: Видавництво стандартів, 1990. - С. 61. - 240 с. - ISBN 5-7050-0118-5 .
  2. ↑ Unit of mass (kilogram) (Англ.). SI Brochure: The International System of Units (SI) [8th edition, 2006; updated in 2014]. BIPM . Дата обігу 11 листопада 2015.
  3. ↑ Положення про одиниці величин, що допускаються до застосування в Російській Федерації (неопр.). Федеральний інформаційний фонд по забезпеченню єдності вимірювань. Росстандарт . Дата обігу 28 лютого 2018.
  4. ↑ 1 2 Historic Vote Ties Kilogram and Other Units to Natural Constants
  5. ↑ Verifications (Англ.). Resolution 1 of the 25th CGPM (2014 року). BIPM . Дата обігу 8 жовтня 2015.
  6. ↑ Kilogram: Mass and Planck's Constant (Англ.). NIST . Дата обігу 18 листопада 2018.
  7. ↑ 1 2 Ernst O. Goebel, Uwe Siegner. Quantum Metrology: Foundation of Units and Measurements . John Wiley & Sons, 2015. (англ.) С. 165-167.
  8. ↑ Robinson IA, Schlamminger S. The watt or Kibble balance: a technique for implementing the new SI definitionof the unit of mass (Англ.) // Metrologia. - 2016. - Vol. 53. - P. A46-A74. - DOI : 10.1088 / 0026-1394 / 53/5 / A46 .
  9. ↑ Michael Stock. The watt balance: determination of the Planck constant and redefinition of the kilogram // Royal Society Discussion Meeting: The new SI, January 2011. (англ.) С. 10.
  10. ↑ Олексій Понятов. Останнім здався кілограм // Наука і життя . - 2019. - № 3. - С. 3-7.
  11. ↑ Fowler, HW. The Concise Oxford Dictionary / HW Fowler, FG Fowler. - Oxford: The Clarendon Press, 1964.
  12. ↑ Décret relatif aux poids et aux mesures du 18 germinal an 3 (7 avril 1795) (Фр.). Grandes lois de la République. Digithèque de matériaux juridiques et politiques, Université de Perpignan. Дата обігу 3 листопада 2011 року. Читальний зал 10 травня 2013 року.
  13. ↑ Kilogram (неопр.) (Недоступна посилання). Oxford English Dictionary. Oxford University Press. Дата обігу 3 листопада 2011 року. Читальний зал 10 травня 2013 року.
  14. ↑ Kilogram (неопр.). Oxford Dictionaries. Дата обігу 3 листопада 2011 року. Читальний зал 10 травня 2013 року.
  15. ↑ Spelling of "gram", etc (неопр.). Weights and Measures Act 1 985. Her Majesty's Stationery Office (30 жовтня 1985). Дата обігу 6 листопада 2011 року. Читальний зал 10 травня 2013 року.
  16. ↑ "Kilo (n1)" , Oxford English Dictionary (2nd ed.), Oxford: Oxford University Press, 1989, < http://www.oed.com/viewdictionaryentry/Entry/103394 >. Перевірено 8 листопада 2011 року.
  17. ↑ "Kilo (n2)" , Oxford English Dictionary (2nd ed.), Oxford: Oxford University Press, 1989, < http://www.oed.com/viewdictionaryentry/Entry/103395 >. Перевірено 8 листопада 2011 року.
  18. ↑ An Essay towards a Real Character and a Philosophical Language (Reproduction) (неопр.) (PDF). Дата обігу 3 квітня 2011 року. Читальний зал 10 травня 2013 року.
  19. ↑ An Essay towards a Real Character and a Philosophical Language (Transcription) (неопр.) (PDF). Дата обігу 3 квітня 2011 року. Читальний зал 10 травня 2013 року.
  20. ↑ 1 2 Decree on weights and measures (Фр.) (7 avril 1795). - «Gramme, le poids absolu d'un volume d'eau pure égal au cube de la centième partie du mètre , et à la température de la glace fondante.». Читальний зал 10 травня 2013 року.
  21. ↑ Gattel CM Nouveau Dictionnaire portatif de la Langue Françoise . - 1797. - Vol. 2. - P. 695.
  22. ↑ L'histoire du mètre, la détermination de l'unité de poids (неопр.). Читальний зал 10 травня 2013 року.
  23. ↑ 1 2 3 4 5 Richard S. Davis, Pauline Barat and Michael Stock. A brief history of the unit of mass: continuity of successive definitions of the kilogram // Metrologia. - 2016. - Vol. 53. - P. A12-A18. - DOI : 10.1088 / 0026-1394 / 53/5 / A12 .
  24. ↑ 1 2 Кілограм / К. П. Широков // Кварнер - Конгур. - М.: Радянська енциклопедія, 1973. - ( Велика Радянська Енциклопедія : [В 30 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969-1978, т. 12).
  25. ↑ 1 2 Why change the SI? (Англ.) На сайті Міжнародного бюро мір і ваг
  26. ↑ Towards a redefinition of the kilogram (Англ.). The BIPM watt balance. BIPM . Дата обігу 10 жовтня 2015.
  27. ↑ 1 2 On the future revision of the International System of Units, the SI (Англ.). Resolution 1 of the 24th CGPM (2011). BIPM. Дата обігу 11 листопада 2015.
  28. ↑ The Avogadro Project
  29. ↑ On the future revision of the International System of Units, the SI (Англ.). Resolution 1 of the 25th CGPM (2014 року). BIPM. Дата обігу 11 листопада 2015.
  • Смирнова Н. А. Одиниці вимірювань маси і ваги в Міжнародній системі одиниць. - М, 1966.